Причины кислотных дождей

Основная причина выпадения кислотных дождей — наличие в атмосфере за счет промышленных выбросов оксидов серы и азота, хлористого водорода и других кислотообразующих соединений. В результате дождь и снег оказываются подкисленными. Образование кислотных дождей и их воздействие на окружающую среду показано на рис. 1 и 2.

Присутствие в воздухе заметных количеств, например, аммиака или ионов кальция приводит к выпадению не кислых, а щелочных осадков. Однако их также принято называть кислотными, поскольку они при попадании на почву или в водоем меняют их кислотность.

Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе — с рН = 2,3, в Китае — с РН = 2,25. Автором учебного пособия на экспериментальной базе Экологического центра РАН в Подмосковье в 1990 г. был зарегистрирован дождь с рН = 2,15.

Подкисление природной среды отрицательно отражается на состоянии . В этом случае из почвы выщелачиваются не только питательные вещества, но и токсичные металлы, например свинец, алюминий и др.

В подкисленной воде увеличивается растворимость алюминия. В озерах это приводит к заболеванию и гибели рыб, к замедлению развития фитопланктона и водорослей. Кислотные дожди разрушают облицовочные материалы (мрамор, известняки др.), значительно снижают срок службы железобетонных конструкций.

Таким образом, окисление природной среды — одна из важнейших экологических проблем, требующая решения в ближайшем будущем.

Рис. 1. Образование кислотных дождей и их воздействие на окружающую среду

Рис. 2. Ориентировочная кислотность дождевой воды и некоторых веществ в единицах рН

Проблема кислотных осадков

Развитие промышленности, транспорта, освоение новых источников энергии приводят к тому, что количество промышленных выбросов постоянно увеличивается. Это связано главным образом с использованием горючих ископаемых на тепловых электростанциях, промышленных предприятиях, в двигателях автомобилей и в системах отопления жилых домов.

В результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу Земли поступают соединения азота, серы, хлора, других элементов. Среди них преобладают оксиды серы — S0 2 и азота — NO x (N 2 0, N0 2). Соединяясь с частицами воды, оксиды серы и азота образуют серную (H 2 SO 4) и азотную (HNO 3) кислоты различной концентрации.

В 1883 г. шведский ученый С. Аррениус ввел в обращение два термина — «кислота» и «основание». Он назвал кислотами вещества, которые при растворении в воде образуют свободные положительно заряженные ионы водорода (Н +), а основаниями — вещества, которые при растворении в воде образуют свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы (ОН -).

Водные растворы могут иметь рН (показатель кислотности воды, или показатель степени концентрации ионов водорода) от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН 7,0, кислая среда характеризуется значениями рН меньше 7,0, щелочная — больше 7,0 (рис. 3).

В среде с рН 6,0 гибнут такие виды рыб, как лосось, форель, плотва и пресноводные креветки. При рН 5,5 погибают лонные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон — крошечные одноклеточные водоросли и простейшие беспозвоночные, которые составляют основу пищевой цепи водоема. Когда кислотность достигает рН 4,5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых, выживают только некоторые виды пресноводных беспозвоночных.

Рис. 3. Шкала кислотности (рН)

Установлено, что на долю техногенных выбросов, связанных со сжиганием ископаемого угля, приходится около 60-70 % их общего количества, на долю нефтепродуктов — 20-30 %, на остальные производственные процессы — 10 %. 40 % выбросов NO x составляют выхлопные газы автомобилей.

Последствия кислотных дождей

Характеризующиеся сильнокислой реакцией (обычно рН<5,6), получили название кислотных (кислых) дождей. Впервые этот термин был введен британским химиком Р.Э. Смитом в 1872 г. Занимаясь вопросами загрязнения г. Манчестера, Смит доказал, что дым и пары содержат вещества, вызывающие серьезные изменения в химическом составе дождя, и что эти изменения можно заметить не только вблизи источника их выделения, но и на большом расстоянии от него. Он также обнаружил некоторые вредные последствия кислотных дождей : обесцвечивание тканей, коррозию металлических поверхностей, разрушение строительных материалов и гибель растительности.

Специалисты утверждают, что термин «кислотные дожди» недостаточно точен. Для такого типа загрязнителей лучше подходит выражение «кислотные осадки». Действительно, загрязняющие вещества могут выпадать не только в виде дождя, но и в виде снега, облаков, тумана («влажные осадки»), в виде газа и пыли («сухие осадки») в засушливый период.

Несмотря на то что сигнал тревоги прозвучал больше ста лет назад, индустриальные государства долго игнорировали опасность кислотных осадков. Но вот в 60-е гг. XX в. экологи сообщили об уменьшении косяков рыбы и даже полном ее исчезновении в некоторых озерах Скандинавии. В 1972 г. проблема кислотных дождей была впервые поднята учеными-экологами Швеции на Конференции ООН по окружающей среде. С этого времени опасность глобального закисления окружающей среды превратилась в одну из наиболее острых проблем, обрушившихся на человечество.

По состоянию на 1985 г. в Швеции из-за кислотных дождей серьезно пострадал рыбный промысел в 2500 озерах. В 1750 из 5000 озер Южной Норвегии полностью исчезла рыба. Исследование водоемов Баварии (Германия) показало, что в последние годы наблюдается резкое сокращение численности, а в отдельных случаях — и полное исчезновение рыбы. При изучении 17 озер в осенний период было установлено, что показатель рН воды колебался от 4,4 до 7,0. В озерах, где показатель рН составил 4,4; 5,1 и 5,8, не было поймано ни одной рыбы, а в остальных озерах обнаружены только отдельные экземпляры озерной и радужной форели и гольца.

Наряду с гибелью озер происходит деградация лесов. Хотя лесные почвы менее восприимчивы к подкислению, нежели водоемы, произрастающая на них растительность крайне негативно реагирует на увеличение кислотности. Кислые осадки в виде аэрозолей обволакивают хвою и листву деревьев, проникают в крону, стекают по стволу, накапливаются в почве. Прямой ущерб выражается в химическом ожоге растений, снижении прироста, изменении состава подпологовой растительности.

Кислотные осадки разрушают здания, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут способствовать просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Разрушительному действию кислотных осадков подвергаются многие памятники мировой культуры. Так, за 25 веков мраморные статуи всемирно известного памятника архитектуры Древней Греции Акрополя постоянно подвергались воздействию ветровой эрозии и дождей. В последнее время действие кислотных осадков ускорило этот процесс. Кроме того, это сопровождается и осаждением на памятниках корки сажи в виде двуокиси серы, выделяемой промышленными предприятиями. Для соединения отдельных архитектурных элементов древние греки использовали небольшие стержни и скобы из железа, покрытые тонким слоем свинца. Тем самым они были защищены от ржавчины. Во время реставрационных работ (1896-1933) были использованы стальные детали без всяких мер предосторожности, и вследствие окисления железа под действием раствора кислот в мраморных структурах образуются обширные трещины. Ржавчина вызывает увеличение объема, и мрамор раскалывается.

Результаты исследований, проведенных по инициативе одной из комиссий ООН, свидетельствуют, что кислотные осадки оказывают губительное воздействие и на старинные витражные стекла в некоторых городах Западной Европы, что может окончательно их разрушить. Под угрозой находится более 100 000 образцов цветного стекла. Старинные витражи находились в хорошем состоянии до начала XX в. Однако за последние 30 лет процесс разрушения ускорился, и если не будут проведены необходимые реставрационные работы, через несколько десятков лет витражи могут погибнуть. Особой опасности подвергается цветное стекло, изготовленное в VIII-XVII вв. Это объясняется особенностями технологии производства.

Существует ряд причин, по которым я решила выбрать для исследовательской работы именно эту тему. Во-первых, она показалась мне интересной, так как проблема кислотных дождей очень актуальна сегодня, когда на улицах ежегодно становится все больше и больше автомобилей, появляются новые заводы и фабрики, отрицательно влияющие на экологию. Во-вторых, написание реферата – хороший опыт исследовательской работы. При дальнейшей учебе в ВУЗе этот опыт поможет мне лучше справляться с созданием курсовых и дипломных работ. Эта работа может научить, как правильно подбирать литературу, выбирать из нее самое главное и необходимое. Меня привлекло то, что для написания реферата по данной теме пришлось проводить эксперименты (я измеряла уровень кислотности воды различных рек Красносельского района), а также защита реферата - хороший способ научиться выступать на публике, что тоже очень важно в будущем.

Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды, которое приблизительно равняется 5,6. «Чистый» дождь обычно всегда имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода (СО2) вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту.

Данная реакция является обратимой, и образование кислоты происходит лишь в незначительной степени.

Теоретически такой «чистый», слабокислотный дождь должен иметь рН = 5,6.

Однако из-за постоянного присутствия в атмосфере различных веществ дождь никогда не бывает абсолютно «чистым», и его рН варьирует от 4,9 до 6,5, со средним значением около 5,0 для зоны умеренных лесов. Помимо СО2 в атмосферу Земли попадают естественным путем также различные соединения серы и азота, которые сообщают дождевым осадкам кислотную реакцию:

NO2+2H2O+O2(4HNO3

Таким образом «кислотные дожди» могут возникать и по естественным причинам. Однако помимо естественного попадания в атмосферу Земли различных оксидов с кислотной реакцией существуют также и антропогенные источники, выброс из которых во много раз превышает естественную.

1. 2 Причины кислотных дождей

Главной причиной кислотных дождей является присутствие в составе атмосферы Земли двуокиси серы SO2 и двуокиси азота NO2, которые в результате происходящих в атмосфере химических реакций, превращаются в соответственно серную и азотную кислоты, выпадение которых на поверхность земли оказывает влияния на живые организмы и окружающую среду в целом.

Соединения серы, попадающие в атмосферу, могут вступать в реакцию с парами воды, образуя разбавленную серную кислоту. По крайней мере, половина общего количества соединений серы в атмосфере имеет естественное происхождение; это может быть диоксид серы, высвобождающийся при извержении вулканов, или диметилсульфид, выделяемый некоторыми микроскопическими планктонными водорослями. Остальное же приходится на диоксид серы, поступающий в атмосферу при сжигании угля, используемого в промышленности, а также для обогрева домов и приготовления пищи. Соотношение различных способов поступления оксида серы (IV) в атмосферу.

Уголь, в основном углерод С, может быть загрязнен соединениями серы (FeS, CuS), которые при сгорании образуют оксид серы (IV):

2CuS+3O2(2CuO+2SO2

В формировании кислотных дождей участвуют также оксиды азота, которые образуются при сжигании топлива, в результате жизнедеятельности некоторых почвенных микробов, а также при грозовых разрядах (из содержащегося в атмосфере свободного азота). За счет электрических разрядов образуется менее 10% от общего количества азотсодержащих соединений (связанного азота). Оксиды азота, подобно оксидам серы, растворяются в дождевой воде, образуя разбавленную азотную кислоту:

NO2+2H2O+O2(4HNO3

1. 3 Воздействие кислотных дождей на окружающую среду

Результатом кислотного воздействия является то, что кислотные атмосферные микроэлементы, соединения серы и азота попадают на поверхность Земли, что приводит к сильным изменениям кислотности водоемов и почв. В первую очередь повышение кислотности сказывается на состоянии пресноводных водоемов и лесов. Кислотные дожди оказывают различное влияние. Осадки, имеющие повышенное содержание азота, первое время способствуют росту деревьев в лесу, так как происходит снабжение деревьев питательными веществам, например, NO3-, NH4+.

Однако, в результате постоянного их потребления, лес ими перенасыщается, что приводит к закислению почвы.

Закисление, как правило, вызывают сильные кислоты, такие как серная и азотная кислота. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно.

Влияние кислотных дождей

Кислотные осадки способствуют кислотному загрязнению водоемов и рек. Последствия такого закисления следующие: при pH

Прямое воздействие на человека. Особую опасность для здоровья человека представляют аэрозольные частицы кислотного характера. Степень их опасности зависит в первую очередь от их размеров. Крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, тогда как мелкие (менее 1 мкм.) капли, состоящие из смеси серной и азотной кислот, могут проникать в самые отдаленные участки легких и наносить там существенные повреждения.

Коррозия металла

Коррозия металлов, зданий и памятников. Причиной коррозии является увеличение концентрации иона водорода на поверхности металлов, от которой в большей степени и зависит их окисление.

Памятники, построенные из известняка и песчаника, подвергаясь воздействию кислотного дождя, разрушаются очень быстро (см. рисунок 5). Содержащийся в песчаниках и известняках СаСО3, превращаясь в сульфат кальция, легко вымывается кислой дождевой водой:

CaCO3+2H+(Ca2++CO2+H2O.

Кислотные дожди - продукт промышленных выбросов диоксида серы, они разрушают леса и губят рыбу. Однако новое исследование показывает, что эти дожди уменьшают выбросы парникового газа (метана), которые производят болота. Механизм такого влияния очень интересен. Метан вырабатывают бактерии, питающиеся торфом. Но там же, на болотах, живут другие бактерии, которые обожают серу и являются конкурентами первых. Когда идут кислотные дожди, число "серных" бактерий резко возрастает, а "метановых" - падает. Соответственно падает (на 30-40%) выработка метана.

§2. Кислотное загрязнение Красносельского района.

2. 1 Водные объекты Красносельского района

К водным объектам Красносельского района относятся: а) Реки: Красненькая, Дудергофка, Ивановка, Сосновка б) Озера: Дудергофское, Долгое, Безымянное

Загрязнение поверхностных и подземных вод Красносельского района непосредственно связано с процессами урбанизации и промышленного производства. Загрязнение производится вследствие сброса неочищенных или сточных вод промышленными предприятиями, коммунально-бытовым хозяйством, сельскохозяйственным производством, а также поверхностным стоком с территории.

1. Промышленные сточные воды.

2. Коммунально-бытовые сточные воды. Являются источником поступления в водоемы нитратов и фосфатов, а также хлоридов, сульфатов, фенолов и органических соединений, опасных для человека. 50 процентов сбрасываемых вод района являются неочищенными, а остальные 50 процентов - недостаточно очищенными.

3. Сельскохозяйственные стоки.

Источником их появления служат животно - и птицеводческие комплексы (эти стоки богаты натрием и фосфором); также опасны стоки с полей, содержащие ядохимикаты, фосфаты, нитраты.

4. Поверхностный сток.

Содержит, в основном, взвешенные вещества и нефтепродукты. В ливневых водах, которые оказывают немалое влияние на состав поверхностных вод, содержатся тяжелые металлы и нефтепродукты.

Озера Красносельского района - Дудергофское, Долгое, Безымянное имеют подземное питание, а также приток поверхностных вод с Ижорского плато, посредством которого, в основном, и происходит их загрязнение.

Из озер имеют сток реки Дудергофка, Сосновка и Ивановка, которые и выносят загрязненные воды.

Помимо загрязнения поверхностным стоком, поверхностные воды района имеют невысокое качество из-за:

Отсутствия зоны охраны у водоемов;

Использования вод для сельскохозяйственных работ (загрязнение органическими веществами, ядохимикатами);

Долгого отсутствия канализации и сброса сточных вод в водоемы;

Использования водоемов как источников технической воды;

Сброса сточных вод летних лагерей и др.

2. 2 Предприятия, оказывающие влияние на кислотное загрязнение.

Основными источниками загрязнения воздуха района являются выброс котельных и автотранспорта на одной из главных магистралей - проспекте Ленина.

Источники загрязнения атмосферы района / на середину 90-х гг. /:

Электромеханический завод,

Кировский завод,

Суммарный выброс от Красносельского ПЭПТС,

Опытный завод "Домен",

ЛНПО "Авангард",

Красногородская экспериментальная целлюлозно-бумажная фабрика,

Красносельский завод пластмасс,

Объединение "ЭлектронМаш" (ЛЭМЗ).

С каждым годом, несмотря на спад производства в городе и закрытие многих предприятий, выброс вредных элементов в атмосферу увеличивается за счет увеличения транспортного потока.

Данных о кислотном загрязнении Красносельского района, к сожалению, мне найти не удалось. Наиболее загрязненной рекой нашего района является река Красненькая, что, вероятно, связано с ее расположением вблизи оживленных транспортных магистралей (Ленинского проспекта и Проспекта Маршала Жукова).

§3. Экспериментальная часть

Я исследовала кислотность природных вод Красносельского района. Отбирала пробы воды различных водоемов (р. Дудергофки, Ивановки и т. д.).

Для измерения кислотности применялся индикаторный метод. В качестве индикатора использовали универсальный индикатор

В таблице представлено описание исследованных образцов:

№ Дата Водный объект Адрес Внешний вид Кислотность

20. 04. 06 Река Дудергофка В районе пересечения с проспектом Прозрачная с примесью ~6

Народного Ополчения песка и ила.

20. 04. 06 Река Дудергофка В районе Дудергофского канала Прозрачная с примесью ~6

песка и ила.

19. 04. 06 Озеро Безымянное Район Красного Села Прозрачная ~6

23. 04. 06 Река Ивановка В районе пересечения с ул. Чекистов Прозрачная ~6

23. 04. 06 Река Ивановка В районе пересечения с проспектом Прозрачная ~6

Ветеранов

23. 04. 06 Река Красненькая В районе пересечения с проспектом МаршалаПрозрачная ~3

На рисунке 13 представлена карта Красносельского района, где красными точками обозначены районы отбора проб.

На рисунках 9-12 представлены фотографии мест отбора проб воды рек Ивановки и Дудергофки. Можно отметить, что вода в реках достаточно прозрачная или слегка окрашена в желтый цвет. Пробы, отобранные в местах сильного течения, содержат примесь песка и ила (пробы 1 и 2).

По данным таблицы видно, что кислотность вод рек Ивановки и Дудерговки на протяжении всего течения составляет 6, что является нормой для природной воды. На реке Дудергофке находится Красносельский завод пластмасс, но, вероятно, в технологических циклах используются современные способы очистки воды, и сточные воды завода, выбрасываемые в Дудергофку, не оказывают влияния на кислотность воды.

Кислотность образца, взятого в реке Красненькая, очень низкая, что указывает на кислотное загрязнение реки и может быть связана с тем, что река протекает рядом с оживленными магистралями (Ленинский проспект) и железнодорожными путями промышленного использования.

Полученные мной результаты исследований вполне согласуются с данными карты Загрязнения водных объектов Красносельского района: наиболее загрязненной рекой района является река Красненькая, и мои данные показали наибольшее кислотное загрязнение ее вод.

Заключение.

Я рассмотрела кислотные дожди, причины их образования и последствия, ими вызываемые. Кислотные осадки могут иметь как естественное происхождение, так и антропогенное. Наибольший вклад в кислотное загрязнение вносят процессы сжигания топлива.

Кислотные дожди оказывают влияние как на окружающую среду в целом, так и на жизнедеятельность человека. Однозначно определить влияние кислотных дождей и кислотного загрязнения как негативное нельзя. Как и многие факторы, влияющие на экологическую обстановку, кислотное загрязнение может приводить и к отрицательным последствиям (например, разрушение металлических конструкций), и к некоторым положительным (уменьшение выработки метана на болотах).

По полученным результатам эксперимента по изучению кислотности вод рек Красносельского района можно сделать выводы:

1) Кислотность вод рек Ивановки и Дудерговки находится в пределах нормы для природной воды.

2) Кислотность образца, взятого в реке Красненькая очень низкая.

3) Данные анализа воды на кислотность свидетельствуют о достаточно благополучной экологической обстановке в районе в целом.

Введение.

Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. В первой половине нынешнего века эти изменения нарастали и в настоящее время лавиной обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации. Это создает угрозу и существованию биосферы, и самого человека.

Среди весьма серьезных проблем экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязнение воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу. Атмосферный воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. В период промышленной и научно-технической революции увеличился объем эмиссии в атмосферу газов и аэрозолей антропогенного происхождения. По ориентировочным данным ежегодно в атмосферу поступают сотни миллионов тонн оксидов серы, азота, галогенопроизводных и других соединений. Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, авиационный и автомобильный транспорт.

Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой деятельности двуокись серы (SO 2) и окислы азота (NО x) трансформируются в атмосфере земли в кислотообразующие частицы. Эти частицы вступают в реакцию с водой атмосферы, превращая ее в растворы кислот, которые и понижают рН дождевой воды. Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО 2), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO 2 + H 2 O -> H 2 CO 3). Тогда как в идеале рН дождевой воды равняется 5.6-5.7, в реальной жизни показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.

Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO 2) и различными оксидами азота (NO х). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.

Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и еще во многих странах земного шара.

Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы - озера, реки, заливы, пруды - повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут в воде со значениями рН между 7 и 9.2. С увеличением кислотности (показатели рН удаляются влево от точки отсчета 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Когда кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон - крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Когда кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых

Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм до конца еще не изучен, сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов.

Имитационная модель возникновения кислотных дождей в атмосфере описывает различные источники выбросов соединений серы и азота в атмосферу, химические реакции, в результате которых в атмосфере образуются серная и азотная кислоты и влияние кислотных осадков на природные экосистемы и человека. Также рассматривается ряд мероприятий по снижению образования кислотных дождей в атмосфере.

На входе модели рассматриваются различные источники поступления окислов серы и азоты. Эти источники могут иметь как природное так и антропогенное происхождение. Вклад антропогенных источников в образование кислотных дождей во много раз превышает вклад природных источников. Поэтому необходимо применение мер по снижению именно антропогенных выбросов окислов серы и азота в атмосферу.

2.1.1 Виды соединений серы.

К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере, относятся двуокись серы (оксид серы (IV)), оксисульфид (сероокись углерода), сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. Послед­ние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в двуокись серы или в серную кислоту (сульфаты). Под влиянием деятельно­сти человека более всего изменяется содержание двуокиси се­ры

В сильно загрязненных районах уровень двуокиси серы может в 1000 и даже в десятки тысяч раз превысить естест­венную границу значений на суше и в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из естествен­ных источников, более или менее одинакова вблизи поверх­ности земли. Среди соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии, принимаются в расчет только серная кислота и сульфаты (сульфат и гидросульфат аммония), а также морская соль.

Соединения серы, как мы уже упоминалось, частично попадают в атмосферу естествен­ным путем, а частично антропогенным. Поверхность суши, как и поверхность океанов и морей, играет роль естественно­го источника. Обычно деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать загрязнение серой только на этой территории.

Существуют три основных источника естественной эмиссии серы.

1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэ­робные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в ес­тественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения

Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнару­жен сероводород, а затем с развитием измерительных прибо­ров и способов отбора проб воздуха удалось выделить ряд ор­ганических газообразных соединений серы. Наиболее важны­ми источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органических ве­ществ.

Поверхность моря также может содержать значительные количества сероводорода. В его возникновении принимают участие морские водо­росли. Можно предположить, что выделение серы биологиче­ским путем не превышает 30-40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти со­единения поступают главным образом в нижний слой - тро­посферу, а при отдельных, большой силы извержениях на­блюдается увеличение концентрации соединений серы и в бо­лее высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

В результате деятельности человека в атмосферу попада­ют значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбро­сов. Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии.

Источниками образования двуокиси серы могут быть так­же отдельные отрасли промышленности, главным образом металлургическая, а также предприятия по производству сер­ной кислоты и переработке нефти. На транспорте загрязне­ние соединениями серы относительно незначительно, там в первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.

Таким образом, ежегодно в результате деятельности чело­века в атмосферу попадает 60-70 млн т. серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и антропогенных выбросов сое­динений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза боль­ше, чем это происходит в природе. К тому же эти соедине­ния концентрируются в районах с развитой промышленно­стью, где антропогенные выбросы в несколько раз превыша­ют естественные, т. е. главным образом в Европе и Северной Америке.

Примерно половина выбросов, связанных с деятельностью человека (30-40 млн т), приходится на Европу.

2.2.1 Виды соединений азота.

В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровеществ, но в кислотной седиментации участвуют только два из них: окись и двуокись азота, которые в результате протекающих в атмосфере реакций образуют азо­тистую кислоту.

Окись азота под действием окислителей (например, озона) или различных свободных радикалов преобразуется в дву­окись азота:

(окись азота + радикал пероксида водорода = двуокись азота + радикал гидроксила);

(окись азота + озон = двуокись азота + молекулярный кислород).

Итак, можно предположить, что окисью азота можно пре­небречь вследствие указанных окислительных процессов. Од­нако это не совсем так, что объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов азота в значи­тельной степени происходит в форме окиси азота, и требуется время, чтобы полностью превратилась в. С другой стороны, в непосредственной близости от источников загряз­нения количество окиси азота превышает количество двуоки­си азота. Это соотношение увеличивается в сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чис­том воздухе над поверхностью океана часть окиси азота со­ставляет всего несколько процентов от двуокиси азота. Соот­ношение этих газов, впрочем, может меняться вследствие фо­тодиссоциации двуокиси азота:

(двуокись азота+ квант света = окись азота+ атом кислорода),

Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кис­лота, образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота нейтрализуется, то образуется азот­нокислая соль, которая обычно присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям аммония, кото­рые получаются в результате взаимодействий аммиака с ка­кой-либо кислотой.

Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными. Рассмот­рим наиболее важные естественные источники.

Почвенная эмиссия оксидов азота. В про­цессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Соглас­но современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн т оксидов азота.

Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и пе­рехода в плазменное состояние молекулярные азот и кисло­род в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плаз­мы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Об­щее количество образовавшихся таким способом оксидов азо­та составляет 8 млн т в год.

Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью по­лучения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год.

Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения в результате воз­никновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кро­ме того, оксиды азота образуются в результате горения имею­щихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным ис­точником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на огра­ниченных территориях Земли.

Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения азота играют огромную роль в образовании кис­лотных осадков.

Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы идут параллельно их распространению. Очень часто загрязняющие вещества, испытав частичное или полное химическое превращение, выпадают в осадок, изменив таким образом свое агрегатное состояние

Рассмотрим подробнее химические реакции и фазовые изменения, происходящие с атмосферными кислотными микроэлементами (веществами).

Сера входит в состав в не полностью окисленной форме (степень окисления ее равна 4). Если соединения серы находятся в воздухе в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

Рассмотрим в первую очередь наиболее значительное с точки зрения кислотных дождей вещество ¾ двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной.

Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области:

В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием. Звездочка означает активированное состояние. Активированные молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших количествах молекулярным кислородом:

(активированная молекула двуокиси + молекулярный кислород свободный радикал)

(свободный радикал + молекулярный кислород триоксид серы + озон)

Образовавшаяся триоксид серы, взаимодействуя с атмосферной водой, очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому при обычных атмосферных условиях триокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах. В гомогенной среде двуокись серы может вступить во взаимодействие с атомарным кислородом, также с образованием триокиси серы:

(двуокись серы + атомарный кислород триокись серы)

Эта реакция протекает в тех средах, где имеется относительно высокое содержание двуокиси азота, которая также под действием света выделяет атомарный кислород

В последние годы было установлено, что описанные выше механизмы превращения двуокиси серы в атмосфере не имеют превалирующего значения, так как реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов. Свободные радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной реакционноспособностью. Одна из таких реакций протекает следующим образом:

(двуокись серы +радикал гидроксила свободный радикал)

(свободный радикал + радикал гидроксила серная кислота)

В результате реакции образуются молекулы серной кислоты, которые в воздухе или на поверхности аэрозольных частиц быстро конденсируются

Превращение двуокиси серы может осуществляться и в гетерогенной среде. Под гетерогенным превращением мы понимаем химическую реакцию, которая происходит не в газовой фазе, а в каплях или на поверхности частиц, находящихся в атмосфере

Кроме двуокиси серы в атмосфере можно обнаружить значительное количество других природных соединений серы, которые в конечном счете окисляются до серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся фотохимическим путем свободные радикалы и атомы. Конечные продукты играют определенную роль в антропогенной кислотной седиментации

Наиболее распространенным соединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота, который при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота. Последний в результате реакции с радикалом гидроксида превращается в азотную кислоту:

(двуокись азота + радикал гидроксила азотная кислота)

Полученная таким образом азотная кислота может долгое время оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Другими словами, азотная кислота обладает большей летучестью, чем серная. Пары азотной кислоты могут быть поглощены капельками облаков, осадков или частицами аэрозоля

Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ является седиментация, которая может происходить двумя путями. Первый путь ¾ вымывание осадков или влажная седиментация. Второй путь ¾ выпадение осадков или сухая седиментация. Совокупность этих процессов является кислотной седиментацией

Вымывание происходит во время образования облаков и осадков. Одним из условий образования облаков является перенасыщенность. Это означает, что воздух содержит больше водяного пара, чем он может принять при заданной температуре, сохраняя равновесие. При понижении температуры способность воздуха накапливать воду в виде пара уменьшается. Тогда начинается конденсация водяного пара, которая происходит до тех пор, пока не прекратится перенасыщенность. Однако при обычных атмосферных условиях водяной пар способен конденсироваться только при относительной влажности 400-500 % . Относительная влажность в атмосфере лишь в редких случаях может превысить 100,5 % . При такой перенасыщенности капельки облаков могут возникать только на частицах аэрозоля ¾ так называемых конденсационных ядрах. Этими ядрами часто являются хорошо растворимые в воде соединения серы и азота

После начала образования капель элементы облака продолжают поглощать аэрозольные частицы и молекулы газа. Поэтому воду облака или его кристаллы можно рассматривать как раствор атмосферных элементов.

Элементы облака не могут безгранично увеличиваться. Возникающая под действием гравитации седиментация, которая растет с увеличением размера капель, рано или поздно приводит к выпадению капель облаков с высоты нескольких сотен или тысяч метров. Во время выпадения эти капли промывают слой атмосферы между облаками и поверхностью земли. В это время поглощаются новые молекулы газа и новые аэрозольные частицы захватываются падающей каплей. Таким образом, достигающая поверхности земли вода вопреки всеобщему мнению никоим образом не является дистиллированной водой. Более того, во многих случаях растворенные в воде осадков вещества могут служить важным и иногда даже единственным источником восстановления запасов этих веществ в различных сферах.

Хотя эта форма седиментации существенно отличается от влажной седиментации, конечный результат их действительно идентичен ¾ попадание кислотных атмосферных микроэлементов, соединений серы и азота на поверхность Земли. Известно достаточно много разнообразных кислотных микроэлементов, однако содержание большинства из них настолько мало, что их роль в кислотной седиментаци можно не принимать во внимание

Эти кислотные вещества могут выпадать на поверхность двумя способами. Один из них - турбулентная диффузия, под действием которой в осадок выпадают вещества, находящиеся в газообразном состоянии. Турбулентное диффузионное движение в первую очередь возникает из-за того, что движение струящегося воздуха над почвой и другой поверхностью является неравномерным вследствие трения. Обычно в вертикальном от поверхности направлении ощущается увеличение скорости ветра и горизонтальное движение воздуха вызывает турбулентность. Таким путем компоненты воздуха достигают Земли, и наиболее активные кислотные вещества легко взаимодействуют с поверхностью

Кислотные осадки оказывают вредное воз­действие не только на отдельные предмет или живые сущест­ва, но и на их совокупность. В природе и в окружающей сре­де образовались сообщества растений и животных, между ко­торыми, как и между живыми и неживыми организмами, су­ществует постоянный обмен веществ. Эти сообщества, кото­рые можно также называть экологической системой, обычно состоят из четырех групп: неживые объекты, живые организ­мы, потребители и разрушители.

Влияние кислотности в первую очередь сказывается на со­стоянии пресных вод и лесов. Обычно воздействия на сообще­ства бывают косвенными, т.е. опасность представляют не са­ми кислотные осадки, а протекающие под их влиянием про­цессы (например, высвобождение алюминия). В определен­ных объектах (почва, вода, ил и т.д.) в зависимости от кис­лотности могут возрасти концентрации тяжелых металлов, так как в результате изменения рН изменяется их раствори­мость. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсич­ные металлы. Если под действием кислотности изменяются строение почвы, ее биология и химия, то это может привести к гибели растений (например, отдельных деревьев). Обычно эти косвенные воздействия не являются местными и могут влиять на расстоянии нескольких сотен километров от источ­ника загрязнения.

Воздействия на леса и пашни. Кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем; через почву и корневую систему, либо непосредствен­но (главным образом на листву). Подкисление почвы опреде­ляется различными факторами. В отличие от вод почва обла­дает способностью к выравниванию кислотности среды, т.е. до определенной степени она сопротивляется усилению кис­лотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к сохранению существенного закисления. Однако наря­ду с естественными процессами на почвы в лесах и на паш­нях воздействуют антропогенные факторы.

Химическая стабильность, способность к выравниванию, склонность почв к закислению изменчивы и зависят от каче­ства подпочвенных пород, генетического типа почвы, способа ее обработки (возделывания), а также от наличия поблизости значительного источника загрязнений. Кроме того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности за­висит от химических и физических свойств подстилающих слоев.

Косвенные воздействия проявляются по-разному. Напри­мер, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву пита­тельными веществами. Однако в результате постоянного по­требления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается вымывание нитрата, что ведет к закислению почвы.

Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, содержит больше серы, калия, магния, кальция и меньше нитрата и аммиака, чем вода осадков, что приводит к увели­чению кислотности почвы. В результате этого возрастают по­тери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев.

Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего проис­ходят либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями рН.

Растворимость тяжелых металлов также сильно зависит от рН. Растворенные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести к их гибели. Широко известно, что алюми­ний, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живу­щих в почве организмов. Во многих почвах, например, в се­верных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, од­нако при выпадении значительных количеств кислотных осадков отношение алюминий/кальций в почвенных водах настолько возрастает, что ослабляется рост корней и создает­ся опасность для существования деревьев.

Происходящие в составе почвы изменения могут преобра­зовать состав микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и тем самым повлиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление.

Так, например, гибель лесов в Средней и Запад­ной Европе произошла главным образом под влиянием кос­венных воздействий. Почти полностью погибли леса на площа­ди в несколько сотен тысяч гектаров.

Дальнейшую озабоченность вызывает то, что в результате гибели наиболее чувствительных к закислению существ (мик­роорганизмы почвы, грибы, дубы) в структуре материального и энергетического баланса живых сообществ могут произойти неблагоприятные изменения, и в конечном итоге сам человек также пострадает из-за происходящих при этом необратимых процессов.

Закисление пресных вод. Собственно говоря, закисление прёсных вод - это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (например, таяние снега) сульфаты и нитраты дейст­вуют совместно. На значительных территориях при повыше­нии определенных значений кислотности осадков поверхност­ные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способ­ность нейтрализовать кислоты, то значение рН может сни­зиться на 1, 5, а в крайних случаях - даже на 2 или на 3. Частично закисление происходит непосредственно под дейст­вием осадков, но в большей мере - за счет веществ, смывае­мых с территории водного бассейна.

Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз.

1. Убыль ионов гидрокарбоната, т.е. уменьшение способ­ности к нейтрализации при неизменяющемся значении рН.

2. Уменьшение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната. Значение рН тогда падает ниже 5, 5. Наибо­лее чувствительные виды живых организмов начинают поги­бать уже при рН = 6, 5.

3. При рН = 4, 5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и жи­вотный планктон, а также белые водоросли.

Многие виды животных и растений начинают гибнуть уже при зачениях рН < 6. При рН < 5 не обеспечиваются условия для нормальной жизни.

Гибель живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызвана и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются кад­мий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тя­желые металлы. Количество растительных питательных ве­ществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нераст­воримый фосфат алюминия:

который осаждается в форме донного осадка. Гибель водных живых сообществ может приводить к закислению и выделению тяжелых металлов, а также к нару­шению экологического равновесия. Уменьшение рН воды идет параллельно с сокращением популяций или гибелью рыб, земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества прочих живых организмов. Можно заметить характерные различия (во флоре и фауне) озер, вода которых имеет близ­кий состав питательных веществ и ионов, но различную кис­лотность. До определенных пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотно­сти, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжелые металлы, которые могут попасть в пище­вую цепочку.

Гибель растений.

Непосредственная гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе нескольких десятков километров от их источника. Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, в ос­новном на его листьях, и оказывает на него вредное влияние. Двуокись серы, проникая в организм растения, принимает участие в различных окислительных процессах. Эти процессы протекают с участием свободных радикалов, образованных из двуокиси серы в результате химических реакций. Они окисляют нена­сыщенные жирные кислоты мембран, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.)

Непосредственные воздействия на растения могут прини­мать различные формы: 1) генетические изменения; 2) видо­вые изменения; 3)нанесение прямого вреда растительности. Естественно, в зависимости от чувствительности вида и размеров нагрузки масштаб воздействия может простираться от восполнимого (обратимого) ущерба до полной гибели растения.

В первую очередь погибают наиболее чувствительные ви­ды, например, отдельные лишайники, которые могут сохра­ниться только в самой чистой среде, поэтому их считают "ин­дикаторами" чистого воздуха. Обычно в сильнозагрязненных местах образуется "лишайная пустыня". В современном городе она су­ществует уже при средней концентрации двуокиси серы 100 мкг/м". Во внутренних его районах лишайник вообще отсутствует, а на окраинах его можно встретить очень редко. Впрочем, существуют также виды лишайника, хорошо переносящие нагрузки двуокиси серы, поэтому отдельные со­противляющиеся виды иногда занимают место погибших ви­дов лишайника.

Однако кислотные атмосферные соединения, естественно, могут также оказывать прямое вредное воздействие и на рас­тения более высокого класса. Непосредственный вред, прино­симый двуокисью серы, зависит от многих факторов - мест­ного климата, вида деревьев, состояния почвы, способов обра­ботки леса, рН влажных осадков и др. Опасный уровень ат­мосферной двуокиси серы оказался гораздо ниже, чем счита­лось раньше, так как определенные физиологические и био­химические изменения могут происходить без каких-либо признаков гибели. Однако эта опасная граница становится еще ниже при воздействии двуокиси азота, озона, кислотного дождя и т.д.

Роль двуокиси серы в гибели лесов, таким образом, мож­но считать доказанной. Также доказано вредное влияние влажных кислотных осадков на рост деревьев. Однако эти осадки в первую очередь влияют косвенно - через почву и корневую систему. В наибольшей степени непосредственная гибель растений наблюдается в районах с сильнозагрязнен­ным воздухом, например, в Средней Европе. Масштабы гибе­ли растений и повышенные концентрации двуокиси серы в Европе распространены примерно одинаково. Трудно решить, кто же несет непосредственную ответст­венность за гибель леса - двуокись серы или оксиды азота. Кажется достаточно вероятным, что вредное воздействие ока­зывают совместно все агрессивные кислотные вещества, за­грязняющие воздух. Многие также придерживаются мнения, что при совместном воздействии вредных веществ влияние каждого из них еще больше усиливается (синергизм).

Более всего чув­ствительны к прямому загрязнению хвойные деревья, так как хвоя подвержена воздействию загрязняющих веществ на протяжении нескольких лет в отличие от деревьев, сбрасыва­ющих листву. Самые чувствительные породы - это ель, лист­венница и пихта. Однако многие деревья, сбрасывающие лис­тву, также с трудом переносят прямые воздействия вредных веществ (например, бук, граб).

Необходимо подчеркнуть, что упомянутая здесь непосред­ственная гибель растений и косвенные воздействия на них не могут быть отделены друг от друга, так как обычно эти про­цессы происходят одновременно, и в зависимости от обстоя­тельств доминирует какой-либо из них. В любом случае, есте­ственно, вредные воздействия дополняют и усиливают друг друга.

Естественно, атмосфер­ные кислотные микроэлементы не щадят и человека. Однако здесь речь идет уже не только о кислотных дождях, но и о том вреде, который приносят кислотные вещества (двуокись серы, двуокись азота, кислотные аэрозольные частицы) при дыхании.

Уже давно установлено, что существует тесная зависи­мость между уровнем смертности и степенью загрязнения района. При концентрации около 1 мг/м 3 возрастает число смертельных случа­ев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Статистиче­ские данные показали, что такое серьезное заболевание, как ложный круп, требующее моментального вмешательства вра­ча и распространенное среди детей, возникает по этой же причине. То же самое можно сказать и о ранней смертности новорожденных в Европе и Северной Америке, которая еже­годно исчисляется несколькими десятками тысяч.

Кроме оксидов серы и азота опасны для здоровья челове­ка также аэрозольные частицы кислотного характера, содер­жащие сульфаты или серную кислоту. Степень их опасности зависит от размеров. Так, пыль и более крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, а мелкие (менее 1 мкм) капли серной кислоты или частицы сульфатов могут проникать в самые дальние участки легких.

Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует пороговое значе­ние, ниже которого даже у самых чувствительных людей не обнаруживаются какие-либо отклонения от нормы. Напри­мер, для двуокиси серы среднесуточная пороговая концентра­ция для здоровых людей составляет приблизительно 400 мкг/м 3 .

В настоящее время норма для состава воз­духа на незащищенных территориях почти соответствует это­му значению.

На защищенных территориях нормативы, естественно, строже. В то же время ожидается, что в недалеком будущем установят еще более низкие нормативные значения. Однако опасная концентрация может оказаться еще ниже, если раз­личные кислотные загрязняющие вещества будут усиливать воздействие друг друга, т.е. проявится уже упомянутый синергизм. Также установлена зависимость между за­грязнением двуокисью серы и различными заболеваниями дыхательных путей (грипп, ангина, бронхит и т.д.). На от­дельных загрязненных территориях число заболева­ний было в несколько раз больше, чем на контрольных тер­риториях.

Помимо первичного прямого воздействия, на человека косвенно влияет и закисление окружающей среды. В предыдущих главах мы видели, что косвенные воздействия в первую очередь оказывают ядовитые металлы (алюминий, тяжелые металлы). Эти металлы легко могут попасть в пище­вую цепочку, в конце которой стоит человек. Проведенные в Венгрии обследования показали, что содержание цинка в свинине и говядине, а также в мясных продуктах довольно часто превышает допустимый уровень(10%). Кадмий также встречается в говядине в концентрациях, превышающих до­пустимые. Медь и ртуть в безопасных концентрациях обнару­жены главным образом в мясе птицы.

Кислотный дождь может также причинять вред метал­лам, различным зданиям и памятникам. В первую оче­редь подвержены опасности памятники, построенные из пес­чаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры. В Италии, Греции и других странах сохранявшиеся на протяжении сотен и тысяч лет памятники старины и различ­ные предметы за последние десятилетия сильно разрушились в результате действия выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ.

Кислотные дожди могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на живую и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению ущерба или предотвращению дальнейшего разрушения окружающей среды могут быть раз­личными

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в ат­мосферу - удаление серы из топлива с помощью фильтров, регулирование процессов горения и другие технологические решения.

Снижение содержания серы в различных видах топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содер­жанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приближенным оценкам из известных в настоящее время ми­ровых запасов нефти только 20% имеют содержание серы ме­нее 0, 5%. Среднее содержание серы в используе­мой нефти увеличивается, так как нефть с низким со­держанием серы добывается ускоренными темпами.

Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержа­нием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей уг­ля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1, 0%.

Таким образом, энергоносители с низким содержанием се­ры у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее уда­ления.

Во время переработки (дистилляции) нефти остаток (ма­зут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута - процесс очень сложный, а в результате удается ос­вободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К тому же процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капиталь­ных вложений.

Сера в угле находится частично в неорганической, а час­тично в органической форме. Во время очистки, когда удаля­ют несгораемые части, удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самых благоприятных условиях можно освободиться только от 50% общего содержания серы в угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так и неорганические серосодержащие сое­динения. Но в связи с тем, что процесс идет при высоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо до­роже предыдущего.

Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представ­ляет собой достаточно сложный и малораспространенный про­цесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, да­же после очистки энергоносителей в них остается приблизи­тельно половина первичного содержания серы. Поэтому очи­стка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.

Применение высоких труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность его заключается в следующем. Перемеши­вание загрязняющих веществ в значительной степени зави­сит от высоты дымовых труб. Если мы используем низкие трубы (здесь в первую очередь необходимо вспомнить трубы электростанции), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб. Поэтому в ближай­шем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы и азота бу­дет высокой и, естественно, эти соединения будут причинять больше вреда. Если труба высокая, то непосредственные воз­действия уменьшаются, но возрастает эффективность переме­шивания, что означает большую опасность для отдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменение серы в газах, образующихся во время горения топлива химического состава атмосферы, изменение кли­мата). Таким образом, строительство высоких труб, несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязне­ния воздуха, зато в значительной степени увеличивает "экс­порт" кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно, увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воз­действия загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однако косвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются.

Технологические изменения. Известно, что в процессе го­рения топлива азот и кислород воздуха образуют окись азота NO , которая в значительной степени способствует повыше­нию кислотности осадков. Выше было указано, что в целом в мире горение топлива дает две трети всех антропогенных вы­бросов.

Количество оксида азота NO , который образуется при го­рении, зависит от температуры горения. Выявлено, что чем меньше температура горения, тем меньше возникает оксида азота, к тому же количество NO зависит от времени нахож­дения топлива в зоне горения и от избытка воздуха. Та­ким образом, соответствующим изменением технологии можно сократить количество выбрасываемого загрязняющего вещества.

Сокращения выброса двуокиси серы можно также достичь очисткой конечных газов от серы. Наиболее распространен­ный метод - мокрый процесс, когда конечные газы барботируют через раствор известняка, в результате чего образуются сульфит или сульфат кальция. Таким способом удаляется большая часть серы. Этот способ еще не получил широкого распространения.

Известкование. Для уменьшения закисления в озера и в почву добавляют щелочные вещества (например, карбонат кальция). Эта операция называется известкованием. Известь, попадая в воду, быстро растворяется, а образующаяся в результате гидролиза щелочь сразу же нейт­рализует кислоты. Известкование применяют для обработки кислых почв с целью их нейтрализации. Наряду с преимуществами известкование имеет ряд недостатков:

в проточной и быстро перемешивающейся воде озер нейт­рализация проходит недостаточно эффективно;

происходит грубое нарушение химического и биологиче­ского равновесия вод и почв;

не удается устранить все вредные последствия закис­ления;

С помощью известкования нельзя удалять тяжелые ме­таллы. Эти металлы во время уменьшения кислотности пере­ходят в труднорастворимые соединения и осаждаются, однако при добавлении новой дозы кислот снова растворяются, пред­ставляя таким образом постоянную потенциальную опасность для озер.

Кроме описанных выше известно еще множество способов защиты от загрязнений. Например, погибшие популяции животных и растений заменяют новыми, которые лучше пе­реносят закисление. Памятники культуры с целью предотв­ращения дальнейшего их разрушения обрабатывают специ­альной глазурью.

Рассмотренные здесь способы имеют одно общее свойство - их использование до сих пор не привело к суще­ственному уменьшению выбросов оксидов серы и азота. Не достигнуты заметные успехи и в предотвращении вредных воздействий, вызываемых кислотными дождями.

Как уже было упомянуто выше, основной причиной образования кислотных осадков в атмосфере является выброс соединений серы и азота. Эти соединения, имея за собой природное или антропогенное происхождение, взаимодействуют в атмосфере с различными веществами и превращаются в серную и азотную кислоты. Эти кислоты вместе с осадками выпадают на поверхность земли нанося при этом вред природе и человеку.

Заключение.

Несколько десятилетий назад выражения “кислотные осадки” и “кислотные дожди” были известны лишь исключительно ученым, посвященным в определенных, специализированных областях экологии и химии атмосферы. За последние несколько лет эти выражения стали повседневными, вызывающими беспокойство во многих странах мира. Проблема кислотных дождей стала одной из экологических проблем глобального масштаба. Кислотные осадки являются проблемой, которая в случае ее бесконтрольного развития, может вызвать и уже в некоторых регионах вызывает существенные экономические и социальные издержки. Имитационная модель возникновения кислотных дождей в атмосфере может быть использована для решения этой проблемы. Из этой модели видно, что основной причиной кислотных дождей является антропогенная деятельность. Меж­дународный исследовательский институт прикладного систем­ного анализа (IIASA) проводит изучение моделей с целью ус­тановления возможной кислотности почв, вод и т.п. через де­сятки лет. Результаты говорят о том, что почвы и леса в Европе могут быть спасены от дальнейшего закисления только путем значительного сокращения выбросов. Эти выбросы должно само­стоятельно регулировать каждое государство. Для уменьшения эмиссии загрязняю­щих веществ в атмосферу существует ряд способов:

сильное сокращение использования энергии;

ввод новых технологий, установка фильтрующего обору­дования;

использование слабозагрязняющих либо совсем незагряз­няющих источников энергии.

Подобное решение звучит довольно нереально. Ни одно государство не согласится уменьшить масштабы потребления энергии и тем самым ухудшить уровень жизни. Ввод новых технологий и установка фильтрующего обору­дования также представляют собой экономическую проблему. Тем не менее единственным решением проблемы кислотных дождей видится в сокращении потребления энергии, улучшении контроля над выбросами или разработке альтернативных методов производства электроэнергии, таких, как использование ядерной энергии.

Агаджанян Н.А. «Человек и биосфера», Москва, изд-во Знание, 1996г.

Акимушкин И.И. Невидимые нити природы. - М.: Мысль, 1985. - 287 c.

Баландин Р.К., Бондарев Л.Г. Природа и цивилизация. – М, 1998. – 391 с.

Банников А.Г., Рустамов А.К., Вакулин А.А. Охрана природы: Учеб. для с.-х. учеб. заведений. - М.: Агропромиздат, 1995. - 287 c.

Беттен Л. Г. «Погода в нашей жизни», Издательство «Мир», Москва, 1985г.

Ермаков А.Н., Пурмаль А.П. Физическая химия кислотных дождей // Энергия. - 1998.

Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. – Кишинев,1990. - 406 с

Дрейер О.К., Лось В.А. Развивающийся мир и экологические проблемы. - М.: Знание, 1991. - 64 c.

Новиков Ю.В. Природа и человек. – М.: Просвещение, 1991. – 223 с.

Проблемы экологии России. – М., 1993. – 348 с.

Л.Хорват «Кислотный дождь», Москва, Стройиздат, 1990г.

Экология

Кислотный дождь, который описывают, как серные и азотные кислоты, оседающие в атмосфере, является серьезной экологической проблемой. Хотя его часто ассоциируют с дождями, этот термин также относится и к сухим кислотным веществам. Эти кислоты являются результатом воздействия диоксида серы и оксида азота, которые реагируют с влагой и другими веществами в атмосфере. Хотя существуют естественные источники этих химических веществ, специалисты все больше внимания уделяют источникам, созданным человеком, таким как угольные электростанции.

В чем опасность кислотных дождей? Во-первых, кислотные дожди способствуют окислению почвы, рек и озер, что превышает допустимые пределы для растений и животных, также они разрушают строения, созданные человеком. Какое еще влияние оказывают кислотные дожди?

Окисление вод

Вода противостоит быстрым изменениям в показателях pH – мере кислотности вещества, которая при низких показателях указывает на большую кислотность. Однако, даже такую устойчивость можно преодолеть при постоянном и длительном воздействии кислотных дождей. Особенно восприимчивы к таким изменениям экосистемы рек и озер. Так, например, мухи-однодневки погибают при кислотности pH 5,5, в то время как форель и окунь могут выжить и в более кислой воде. Однако, при уменьшении популяции мух-однодневок и других насекомых, та же форель столкнется с недостатком еды для поддержания своей популяции. Также при pH равном 5-ти, многие рыбы не могут вывести и вырастить молодые особи рыб из икринок, что подрывает здоровье популяции рыб.

Леса

Прямой контакт с кислотным дождем ослабляет деревья и разрушает их листья. Это особенно верно в отношении лесов, находящихся на большой высоте, где деревья часто погружаются в кислотное облако. Кислотный дождь также может повредить деревья и более незаметным способом, сокращая уровень питательных веществ и повышая уровень токсичных соединений в почве.

Машины

Многие люди прилагают много усилий для того, чтобы улучшить вид своего автомобиля, но кислотные дожди могут буквально разрушить защитное покрытие вашего средства передвижения. Чтобы бороться с такими последствиями кислотных дождей, многие производители автомобилей начали покрывать машины специальными красками, противостоящими кислотам.

Здания

Строения из известняка и мрамора особенно подвержены воздействию кислотных дождей. Все это происходит из-за содержания в этих материалах минерала кальцита, которые легко растворяется. Повреждения легко видны на старых каменных зданиях и памятниках, где резьбу разъело с течением времени. Не все камни подвержены этому воздействию. Гранит и песчаник имеют химический состав, который не вступает в реакцию с кислотным дождем, хотя в некоторых типах песчаника содержится карбонат, с которым реагирует кислота.

Здоровье человека

Кислотный дождь выглядит, как обычный дождь, не имея какого-то отличительного вкуса и не вызывая необычных ощущений. Вред от кислотного дождя на людей является не прямым. Прогулки под кислотным дождем и даже плавание в озере, подверженному воздействию кислотных дождей, не опаснее, чем плавание в прозрачной воде. Однако, загрязняющие примеси, которые вызывают кислотный дожди, действительно приносят вред здоровью человека. Диоксид серы и оксид азота взаимодействуют с атмосферой, формируя чистый сульфат и частицы азота, которые переносятся на длинные расстояния ветром и вдыхаются в легкие людей. Мелкие частицы также могут попасть в дом. Так во многих исследованиях выявили связь между повышенным уровнем мелких частиц и риском заболевания и преждевременной смерти от сердечных расстройств и респираторных заболеваний, таких как астма и бронхит.

Единственный способ бороться с кислотными дождями - это ограничить выбросы загрязняющих веществ, которые их вызывают. И даже если бы при самом лучшем сценарии удалось остановить кислотные дожди, потребовалось бы много лет, для того, чтобы полностью исчезло вредное воздействие кислотных дождей.

Что такое вода, знают все. Ее на Земле огромное количество - полтора миллиарда кубических километров.

Если представить Ленинградскую область дном гигантского стакана и попытаться в него вместить всю воду Земли, то высота его должна быть больше, чем расстояние от Земли до Луны. Казалось бы, воды так много, что ее должно всегда хватать в избытке. Но беда в том, что во всех океанах вода соленая. Нам же, да и почти всему живому, нужна вода пресная. А вот ее не так много. Поэтому мы опресняем воду.

В пресной воде рек и озер много растворимых веществ, в том числе ядовитых, в ней могут быть болезнетворные микробы, поэтому использовать ее, а тем более пить без дополнительной очистки нельзя. Когда идет дождь, капли воды (или снежинки, когда идет снег) захватывают из воздуха вредные примеси, попавшие в него из труб какого-нибудь завода.

В результате в некоторых местах Земли выпадают вредные, так называемые кислотные дожди. Ни растениям, ни животным это не нравится.

Благодатные капли дождя всегда радовали человека, но теперь уже во многих районах планеты дожди превратились в серьезную опасность.

Кислотные осадки (дожди, туманы, снег) - это осадки, кислотность которых выше нормальной. Мерой кислотности является значение pH (водородный показатель). Шкала значения pH идет от 02 (крайне высокая кислотность), через 7 (нейтральная среда) до 14 (щелочная среда), причем нейтральная точка (чистая вода) имеет pH=7. Дождевая вода в чистом воздухе имеет pH=5,6. Чем ниже значение pH, тем выше кислотность. Если кислотность воды ниже 5,5 , то осадки считаются кислотными. На обширных территориях промышленно развитых стран мира выпадают осадки, кислотность которых превышает нормальную от 10 - 1000 раз (рН= 5-2,5).

Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной (H 2 SO 4) и азотной (HNO 3) кислот. Наличие серы и азота в этих формулах показывает, что проблема связана с выбросом данных элементов в атмосферу. При сжигании топлива в воздух попадает диоксид серы, также происходит реакция атмосферного азота с атмосферным кислородом и образуются оксиды азота.

Эти газообразные продукты (диоксид серы и оксид азота) реагируют с атмосферной водой с образованием кислот (азотной и серной).

В водных экосистемах кислотные осадки вызывают гибель рыб и других водных обитателей. Подкисление воды рек и озер серьезно влияет и на сухопутных животных, так как многие звери и птицы входят в состав пищевых цепей, начинающихся в водных экосистемах.

Вместе с гибелью озер становится очевидной и деградация лесов. Кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных микроорганизмов. Во время засухи через поврежденные листья испаряется больше влаги.

Выщелачивание биогенов из почвы и высвобождение токсичных элементов способствует замедлению роста и гибели деревьев. Можно предположить, что происходит и с дикими видами животных, когда погибают леса.

Если разрушается лесная экосистема, то начинается эрозия почвы, засорение водоемов, наводнение и ухудшение запасов воды становятся катастрофическими.

В результате закисления в почве происходит растворение питательных веществ, жизненно необходимых растениям; эти вещества выносятся дождями в грунтовые воды. Одновременно выщелачиваются из почвы и тяжелые металлы, которые затем усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения. Используя такие растения в пищу, человек также получает вместе с ними повышенную дозу тяжелых металлов.

Когда деградирует почвенная фауна, снижаются урожаи, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции, а это, как мы знаем, влечет за собой ухудшение здоровья населения.

Под действием кислот из горных пород и минералов высвобождается алюминий, а также ртуть и свинец. которые затем попадают в поверхностные и грунтовые воды. Алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера, разновидность преждевременного старения. Тяжелые металлы, находящиеся в природных водах, отрицательно влияют на почки, печень, центральную нервную систему, вызывая различные онкологические заболевания. Генетические последствия отравления тяжелыми металлами могут проявиться через 20 лет и более не только у тех, кто употребляет грязную воду, но и у их потомков.

Кислотные дожди разьедают металлы, краски, синтетические соединения, разрушают архитектурные памятники.

Наиболее характерны кислотные дожди для индустриальных стран с высокоразвитой энергетикой. За год теплоэлектростанции России выбрасывают в атмосферу около 18 миллионов тонн сернистого ангидрида, а помимо этого, благодаря западному переносу воздуха, приходят сернистые соединения с Украины и Западной Европы.

Для борьбы с кислотными дождями необходимо направить усилия на сокращения выбросов кислотообразующих веществ угольными электростанциями. А для этого необходимо:

использование низкосернистого угля или его очистка от серы

установка фильтров для очистки газообразных продуктов

применение альтернативных источников энергии

Большинство людей остается безучастными к проблеме кислотных дождей. Собираетесь ли вы равнодушно ждать гибели биосферы или будете действовать?